Удалось ли сделать резервную копию? Обеспечение бесперебойного питания

17 августа

учёт ресурсовавтоматизацияответственные примененияAnalog DevicesстатьяLi-Ionрезервное питаниеионисторbackup

Тони Армстронг, Стив Нот (Analog Devices)

Для работы портативных электронных устройств с постоянным или длительным включением необходим резервный источник питания. Микросхемы диспетчеров питания производства Analog Devices LTC4040 или LTC4041 позволяют легко подключить резервное питание в виде Li-Ion-аккумулятора или суперконденсатора соответственно в случае сбоя или потери основного питания.

В нынешнем мире, основанном на передаче информации, многие электронные системы работают непрерывно вне зависимости от условий внешней среды. Другими словами, еще на стадии проектирования следует предусмотреть любой сбой в источнике питания системы, каким бы кратковременным он ни был. Наиболее распространенный способ справиться с такими обстоятельствами – использовать на случай кратковременных прерываний источники бесперебойного питания (ИБП), тем самым обеспечивая высокую надежность и непрерывную работу системы. Точно так же многие современные аварийные системы проектируются с использованием резервной системы электропитания зданий, чтобы гарантировать работу систем безопасности и критически важного оборудования при отключении электроэнергии вне зависимости от причин такого отключения.

Наглядные примеры можно найти в портативных электронных устройствах, используемых в повседневной жизни. Поскольку надежность имеет первостепенное значение, портативные устройства разрабатываются с использованием легких источников питания для надежного использования в повседневных условиях. Но никакая инженерная проработка проекта не может быть гарантией от плохого обращения с оборудованием со стороны пользователей. Например, что происходит, когда пользователь роняет портативное сканирующее устройство, в результате чего отсоединяется аккумулятор питания? Такие события с точки зрения электроники непредсказуемы. Важные данные, хранящиеся в энергозависимой памяти, были бы утеряны без системы безопасности, имеющей достаточный запас энергии для обеспечения резервного питания устройства вплоть до замены аккумуляторной батареи или перенесения данных в постоянную память.

Этот пример демонстрирует необходимость альтернативного источника питания в электронных системах на случай сбоя в первичном источнике.

В автомобильных электронных системах есть много приложений, требующих непрерывного поддержания электропитания, даже когда автомобиль припаркован и двигатель не работает. Это, например, электронный замок, система безопасности и даже персональные информационно-развлекательные системы. Последние из упомянутых обычно включают функции навигации, определения местоположения по GPS и функции eCall. Легко понять, почему эти системы должны оставаться включенными, даже когда автомобиль не движется. Функция GPS должна быть всегда включена на случай чрезвычайных ситуаций и в целях безопасности. Это требование важно, чтобы при необходимости внешний оператор мог активировать экстренное реагирование спецслужб.

Рассмотрим систему eCall (например, систему OnStar® американской компании General Motors) , которая все чаще устанавливается в новых моделях автомобилей. Установка систем подобного типа обязательна для всех новых автомобилей и легких грузовиков, проданных в Евросоюзе после 31 марта 2018 года. Это довольно простая технология: в случае столкновения, при котором срабатывают подушки безопасности автомобиля, система eCall автоматически связывается с экстренной службой. Система использует GPS для передачи экстренным службам времени, местоположения, модели автомобиля и даже типа используемого топлива. В то же время микрофон в салоне автомобиля позволяет после активации системы напрямую общаться с оператором. Система eCall может сообщать, в каком направлении вы двигались, когда произошел инцидент, что даст понять, с какой стороны автострады нужно подъехать к месту аварии. Все это позволяет службам скорой помощи, полиции и пожарным как можно быстрее добраться до вас после аварии, вооружившись максимальным объемом информации. Водитель также может активировать eCall, нажав кнопку, поэтому, если кому-то станет плохо (или человек получит травму в результате столкновения, при котором не сработали подушки безопасности), помощь все равно придет.

Варианты источников энергии в системах резервирования

После признания всеми сообществами необходимости резервного питания в широком спектре систем возникает вопрос: каковы варианты источников энергии для такого типа резервного питания? Традиционно использовались конденсаторы и аккумуляторные батареи.

Конденсаторная технология играет важную роль в системах передачи и доставки энергии на протяжении многих десятилетий. Например, тонкопленочные конденсаторы и конденсаторы на масляной основе традиционной конструкции выполняли множество функций, таких как коррекция коэффициента мощности и балансировка напряжений. Однако за последнее десятилетие были проведены исследования и разработки, которые привели к значительному прогрессу в конструкции и возможностях конденсаторов. Эти усовершенствованные конденсаторы были названы суперконденсаторами (также известны как ультраконденсаторы или ионисторы). Они идеально подходят для использования в системах хранения энергии аккумуляторов и в системах резервного питания. Суперконденсаторы имеют предел с точки зрения общего накопления энергии. Тем не менее, они энергетически емкие. Кроме того, они способны почти мгновенно отдавать высокие значения энергии и быстро перезаряжаться.

Суперконденсаторы не только компактны, но прочны и надежны, а также удовлетворяют требованиям системы резервного копирования на случай кратковременных сбоев питания, как описано выше. Кроме того, их легко подключить параллельно, последовательно или в параллельно-последовательной комбинации, чтобы обеспечить необходимые для конечного приложения напряжение и ток. Тем не менее, суперконденсатор – это больше, чем просто конденсатор с очень высокой емкостью. По сравнению со стандартными керамическими, танталовыми или электролитическими конденсаторами суперконденсаторы обладают более высокой плотностью энергии и большей емкостью при аналогичном форм-факторе и весе. И хотя суперконденсаторы требуют особого ухода, они дополняют или даже заменяют аккумуляторные батареи в устройствах для хранения данных, требующих сильноточного, но кратковременного резервного питания.

Помимо упомянутого, они находят применение в различных устройствах с высокой пиковой мощностью и в портативных устройствах, нуждающихся в сильноточных импульсах или мгновенном резервном питании от аккумулятора, например в системах ИБП. По сравнению с аккумуляторными батареями суперконденсаторы обеспечивают более высокие всплески пиковой мощности при большей компактности и обладают более длительным циклом зарядки в более широком диапазоне рабочих температур. На практике срок службы суперконденсатора может быть увеличен за счет снижения начального напряжения конденсатора и предотвращения высоких температур (> 50°C).

В отличие от суперконденсаторов, аккумуляторные батареи могут хранить большое количество энергии, но ограничены с точки зрения удельной мощности и передачи энергии. Из-за химических реакций, происходящих в батарее, срок ее службы ограничен. В результате они наиболее эффективны при выдаче скромных объемов мощности в течение длительного периода времени, поскольку очень быстрое извлечение из них большой емкости серьезно ограничивает их полезный срок службы. В таблице 1 приведены плюсы и минусы суперконденсаторов, конденсаторов и аккумуляторных батарей.

Таблица 1.  Сравнительные свойства различных источников резервной энергии

Наименование Суперконденсатор Конденсатор Аккумулятор
Единицы хранения энергии Вт⋅сек Вт⋅сек Вт⋅час
Метод заряда Напряжение на клеммах (например, от аккумулятора) Напряжение на клеммах (например, от аккумулятора) Ток и напряжение
Параметры мощности Быстрый разряд, линейное или экспоненциальное падение напряжения Быстрый разряд, линейное или экспоненциальное падение напряжения Постоянное напряжение в течение длительного периода времени
Время зарядки/ разрядки от мсек до сек от псек до мсек от 1 до 10 часов
Форм-фактор Миниатюрный От миниатюрного до большого Большой
Масса от 1 до 2 г от 1 г до 10 кг от 1 г до >10 кг
Плотность энергии Вт ч/кг от 1 до 5 от 0,01 до 0,05 от 8 до 600
Плотность мощности, Вт/кг высокая, >4000 высокая, >5000 низкая, от 100 до 3000
Рабочее напряжение от 2,3 до 2,75 В/элемент от 6 до 800 В от 1,2 до 4,2 В/элемент
Срок службы > 100 тыс. циклов > 100 тыс. циклов от 150 до 1500 циклов
Рабочая температура,°C от -40 до 85 от -20 до 100 от -20 до 65

Новые решения по резервированию питания

Теперь, когда мы установили, что суперконденсаторы, аккумуляторы или их комбинация являются кандидатами для использования в качестве резервных источников питания практически в любой электронной системе, рассмотрим, какие существуют доступные решения.

Прежде всего, во время сбоя основного питания любое решение в виде интегральной схемы (ИС) должно представлять собой полную систему управления резервным питанием, начиная с литиево-ионного аккумулятора, способного поддерживать в рабочем состоянии шины питания от 3,5 до 5 В. Поскольку аккумуляторы вырабатывают значительно больше энергии, чем суперконденсаторы, они лучше подходят для приложений, требующих резервного питания в течение длительных периодов времени. Соответственно, любое интегральное решение должно иметь двунаправленный синхронный преобразователь на кристалле для обеспечения высокоэффективной зарядки резервного аккумулятора, а также – возможности подачи сильноточного резервного питания на нагрузку в случае прерывания на основной шине питания. Таким образом, при наличии внешнего источника питания данное решение будет работать как понижающее зарядное устройство для одноэлементных Li-Ion- или LiFePO4-аккумуляторов, отдавая предпочтение системной нагрузке. Однако, если напряжение входного источника питания внезапно упадет ниже установленного регулируемого порогового значения (сбой напряжения питания, PFI), микросхема должна будет работать как повышающий стабилизатор, способный выдавать несколько ампер на выходе системы, питающейся от резервной батареи. Соответственно, если произойдет сбой питания, тогда ИС потребуется управление трактом питания, чтобы обеспечить обратную блокировку и плавное переключение между входной мощностью и резервным источником питания. Стандартные приложения, где может применяться ИС такого типа – отслеживание автопарка и перемещения деталей на производстве, автомобильные регистраторы данных GPS, автомобильные телематические системы, системы взимания платы за проезд, системы безопасности, системы связи, промышленное резервное копирование и устройства с питанием от USB. На рисунке 1 показана типовая схема включения ИС LTC4040 производства Analog Devices из линейки решений Linear Technology, представляющей собой диспетчер резервного питания от литий-ионных аккумуляторов.

Рис. 1. Резервный источник питания, использующий LTC4040 с установленным пользователем порогом PFI

Рис. 1. Резервный источник питания, использующий LTC4040 с установленным пользователем порогом PFI

LTC4040 также опционально может содержать дополнительную защиту от перенапряжения (OVP), которая предохраняет ИС от воздействия входного напряжения более 60 В. Регулируемая функция ограничения входного тока позволяет работать от источника с ограничением тока, отдавая приоритет току нагрузки системы над током заряда батареи. Внешний выключатель отключает первичный входной источник питания от системы во время резервного питания. ИС заряда аккумулятора LTC4040 на 2,5 А обеспечивает восемь выбираемых значений зарядного напряжения, оптимизированных для литий-ионных и LiFePO4 аккумуляторов. В микросхеме имеются мониторинг входного тока, функции индикации потери входной мощности и потери мощности системы.

Аналогом аккумуляторов являются суперконденсаторы. Однако они являются отличным выбором не для тех систем, в которых необходимо поддерживать длительные интервалы потери мощности , а для тех, которым требуется высокая мощность и кратковременное резервное питание. Соответственно, любая ИС, которая работает с приложениями данного типа, должна во время прерывания основного питания поддерживать шины питания от 2,9 до 5,5 В. Суперконденсаторы имеют более высокую удельную мощность, чем аккумуляторы. Это делает их идеальным выбором для систем, в которых требуется резервное питание с высокой пиковой мощностью в течение коротких интервалов времени. Например, ИС LTC4041 из линейки Power by Linear компании Analog Devices использует встроенный двунаправленный синхронный преобразователь в понижающем режиме для обеспечения высокоэффективной зарядки суперконденсатора, а также – сильноточного высокоэффективного резервного питания. При наличии внешнего источника питания микросхема работает как понижающее зарядное устройство для одной или двух ячеек суперконденсатора, отдавая предпочтение нагрузке системы. Когда входное напряжение падает ниже регулируемого порога PFI, LTC4041 переключается в режим повышения напряжения и может выдавать ток нагрузки до 2,5 А с питанием от суперконденсатора (ов). Во время сбоя питания элемент управления PowerPath ™ устройства обеспечивает обратную блокировку и плавное переключение с входного питания на резервное. Типовое применения LTC4041 – источники питания сквозного типа, сильноточные ИБП от 3 до 5 В, измерители мощности, промышленная сигнализация, серверы и твердотельные накопители. На рисунке 2 показана типовая схема применения LTC4041.

Рис. 2. LTC4041 в схеме резервного питания с суперконденсатором

Рис. 2. LTC4041 в схеме резервного питания с суперконденсатором

LTC4041, также как и LTC4040, включает дополнительную функцию OVP с использованием внешнего полевого транзистора, который может защитить ИС от входного напряжения более 60 В. Внутренняя схема балансировки поддерживает равные напряжения на каждом суперконденсаторе и ограничивает максимальное напряжение каждого суперконденсатора до заранее определенного значения. Регулируемая функция ограничения входного тока позволяет работать от источника с ограничением тока, отдавая приоритет току нагрузки системы над током заряда батареи. Внешний выключатель отключает первичный входной источник питания от системы во время перехода на резервное питание. В микросхеме также реализованы мониторинг входного тока, функции индикации сбоя входного питания и индикации сбоя питания системы.

Заключение

В разработках систем с непрерывным питанием, где основной источник напряжения может выйти из строя или ненадолго отключиться, разумным выбором будет наличие резервного источника питания. Есть множество вариантов микросхем, которые разработчики могут рассмотреть в соответствии со своими конкретными потребностями. К таким решениям относятся и микросхемы диспетчеров резервного питания LTC4040/LTC4041. Эти ИС позволяют легко подключить резервное питание, если основное прервано или потеряно, независимо от того, служит ли в качестве резервного источника суперконденсатор, электролитический конденсатор или аккумулятор. LTC4040 и LTC4041 позволяют обеспечить конечную систему резервным питанием на краткий или длительный период времени.

                                               Перевел Дмитрий Кокшаров по заказу АО Компэл

•••

Наши информационные каналы

О компании Analog Devices

  Компания Analog Devices (AD, ADI) основана в 1965 году в Кембридже, штат Массачусетс, США двумя инженерами – выпускниками Массачусетского Технологического института (MIT) Рэем Стейтой (Ray Stata – первый президент и CEO) и Мэттью Лорбером (Matthew Lorber) с целью разработки и производства интегральных операционных усилителей (ОУ) – новых в тот момент на бурно развивающемся рынке полупроводниковой электроники изделий. Уже через три года продажи компании достигли 5,7 млн. USD. К 1970 AD о ...читать далее

Товары
Наименование
LTC4040EUFD (AD)
LTC4040EUFD#PBF (AD)
LTC4040EUFD#PBF (AD-LTC)
LTC4041EUFD#PBF (AD)
LTC4041EUFD#TRPBF (AD)
LTC4041IUFD#PBF (AD)
LTC4041IUFD#TRPBF (AD)